（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)研制.pdf

摘要 報(bào)據(jù)噴霧機(jī)器人在l i t 間完成全自動(dòng)噴霧的作業(yè)要求，以單片機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及電機(jī) 調(diào)速技術(shù)為核心，成功研制出了噴霧機(jī)器人的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。f 該系統(tǒng)包含人機(jī)接口、a d 轉(zhuǎn)換、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)采集等功能模塊。 、 選用單片機(jī)控制方案，具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。4 針對(duì)噴霧機(jī)器人田間移動(dòng)位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性要求較高的特點(diǎn)，選擇磁傳感方式，自 行研制了一種可以遠(yuǎn)距離檢測(cè)磁標(biāo)志的位置傳感器。 ( 為使噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，選擇電動(dòng)缸和減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，提出了一種新的適合于低 精度直流調(diào)速的h 型p w m 變換器功率晶體管基極驅(qū)動(dòng)方式，采用p w m 方式成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器 人行走電機(jī)的速度控制。 憚片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為提高系統(tǒng)的可靠性，采用i ) c d ( ：隔離電源，所有輸出均進(jìn)行了 光電隔離；在硬件設(shè)計(jì)、電路板制作過(guò)程中均考慮了抗干擾的要求。 運(yùn)行試驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足了噴霧機(jī)器人的功能要求，具有實(shí)用價(jià)值文 關(guān)鍵詞：機(jī)器人，單片機(jī)? 脈寬調(diào)制，磁傳感器；電動(dòng)缸 a b s t r a c t b a s e do nt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n t f o r s p r a y i n g r o b o tt o c o m p l e t e f i e l d s p r a y i n g t a s k a u t o m a t i c a l l yt o t a l l y , w es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e das e to fs i n g l e - c h i pm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m f o rt h es p r a y i n gr o b o t t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mi n c l u d e sf u n c t i o nm o d u l e ss u c ha sm a r l m a c h i n ei n t e r f a c e ， a dc o n v e r s i o n ，e l e c t r o m o t o rd r i v i n g ，s e n s o rs i g n a lc o l l e c t i o na n ds oo n s i n g l e - c h i pc o n t r o l l i n gp r e c e p t m a k e st h ew h o l es y s t e mh a s t i g h ts t r u c t u r ea n dh i g hs t a b i l i t y t 0i n s u r et h e s p r a y i n gr o b o ta p p e r e e i v i n gp o s i t i o ns i g n si nf i e l dr e l i a b l ya n de x a c t l y w h i l em o v ei n f i e l d ，w es e l e c tm a g n e t i cs e n s i n gm o d e ，a n dd e v e l o pak i n do fp o s i t i o ns e n s o rt h a tc a t a p p e r c e i v e m a g n e t i s ms i g n sf r o ml o n gd i s t a n c e i no r d e rt om a k et h es p r a y i n gr o b o t ss t r u c t u r et i g h t ，w es e l e c tl i n e a ra c t u a t o ra n dd e c e l e r a t e d e l e c t r o m o t o ra st h ed r i v i n gd e v i c e w eb r i n gf o r w a r dan e wb a s e - p o l ld r i v i n gm e t h o df o rg i g a n t i c t r a n s i g o r si nh - t y p ep w mc o n v e r t e ra n d b ya d o p t i n gp w mm e t h o d ，s u c c e s s f u l l yc o m p l e t e r o t a t es p e e d c o n t r o l l i n gf o r t h e w a l k i n g e l e c t r o m o t o r d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fs i n g l e - c h i ps y s t e m f o rt h es a k e o fr e l i a b i l i t y , w e 詛k ead c d c c o n v e r t e ra si t sp o w e r s u p p l y a n da l lo u t p u ta r el i g h t - e l e c t r i c i t yi n s u l a t e d f i n a l l yt h eo p e r a t i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mw o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y i t s a t i s f i e st h es p r a y i n gr o b o t sf u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n dh a sp r a c t i c a lw o r t h i n e s s k e y w o r d s ：r o b o t , s i n g l e c h i p ，p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，m a g n e t i s ms e n s o b i i n e a ra c t u a t o r 2 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)或其它教育 機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢 獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 研究生簽名 碥 時(shí)間：力緲年華月日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以用不同方 式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或 掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 一躲甲掃萵 時(shí)間：現(xiàn)妒b 年么月日 新簽名：秒茲二姿 時(shí)間：年月日 1 1 引言 第一章緒論 在中國(guó)，自古以來(lái)農(nóng)業(yè)一直是勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)條件差的行業(yè)。農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平低，農(nóng)業(yè)領(lǐng) 域的生產(chǎn)力處于較低水平。隨著全社會(huì)生活水平的提高，農(nóng)民對(duì)自己的勞動(dòng)條件有了更高的要求， 機(jī)械化自動(dòng)化生產(chǎn)代替手工勞動(dòng)就是必然的趨勢(shì)。 隨著我國(guó)加入世貿(mào)組織( w t o ) ，農(nóng)業(yè)也要參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化和現(xiàn)代化勢(shì)在 必行，只有提高我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)水平，才能提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，在競(jìng)爭(zhēng)中求生存 求發(fā)展。 1 2 設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展 設(shè)施農(nóng)業(yè)又稱為可控農(nóng)業(yè)，它是用一定的設(shè)施和工程技術(shù)手段改變自然環(huán)境，在環(huán)境可控的 條什下，按照作物生長(zhǎng)發(fā)育要求的最佳環(huán)境，以最少的資源投入進(jìn)行生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。溫室大棚 農(nóng)業(yè)是典型的設(shè)施農(nóng)業(yè)，其具有高投入高產(chǎn)出、抗災(zāi)害能力強(qiáng)、科技含量高等特點(diǎn)，效率和效益 比傳統(tǒng)的露地自然農(nóng)業(yè)要提高幾倍甚至幾十倍。 我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正逐漸由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的具體體現(xiàn)，是高 產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)的必然要求。進(jìn)入2 0 世紀(jì)9 0 年代后，我國(guó)的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，特別是設(shè)施栽 培的發(fā)展給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了無(wú)限生機(jī)。全國(guó)現(xiàn)有的溫室大棚的面積已達(dá)到1 5 6 7 0 0 h m 2 ，位居世界 第一。但我國(guó)的設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)也存在一些問(wèn)題，其中一個(gè)非常突出的問(wèn)題就是：設(shè)備不配套，作 業(yè)主要依靠人力，缺乏設(shè)施栽培小型作業(yè)機(jī)具，除了在大棚內(nèi)采用小型拖拉機(jī)進(jìn)行耕整地作業(yè)外， 基本上是依靠人工作業(yè)，且作業(yè)環(huán)境十分惡劣，這不僅限制了勞動(dòng)效率的提高和勞動(dòng)條件的改善， 還阻礙了設(shè)施農(nóng)業(yè)朝精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和工廠化農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方 式，其進(jìn)一步發(fā)展必然要求提高大棚作業(yè)的機(jī)械化自動(dòng)化水平。 噴霧是設(shè)施栽培農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，有著重要的作用：噴灑殺菌劑或殺蟲劑防止作物病蟲害： 噴灑除草劑消滅雜草；噴灑化學(xué)肥料：噴灑藥劑對(duì)土壤消毒、滅菌；噴灑生長(zhǎng)激素促進(jìn)作物生長(zhǎng) 等。但若采用手工方式，大棚噴霧作業(yè)將是種極其繁重和危險(xiǎn)的勞動(dòng)，所以一種高效、經(jīng)濟(jì)、 安全的噴霧機(jī)械急待研究。 1 3 農(nóng)用噴霧機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)農(nóng)用噴霧機(jī)械的企業(yè)有很多，一些新型的噴霧方式也被采用，從而大大提高 了噴霧質(zhì)量和工作效率。但對(duì)噴霧機(jī)械的研制和改進(jìn)大都集中和限制在對(duì)液壓泵和噴頭的研制和 改進(jìn)上，而噴霧機(jī)械本身在田間的移動(dòng)方式卻一直很落后。若按移動(dòng)方式分類，現(xiàn)有的產(chǎn)品主要 有以f f ) l 種： ( 1 )背負(fù)式全人工移動(dòng)，效率低而勞動(dòng)強(qiáng)度很大，且很不安全。 ( 2 )定點(diǎn)作業(yè)式依然靠人工移動(dòng)，只是比背負(fù)式噴霧機(jī)有更大的作業(yè)功率和射程， 固定地點(diǎn)作業(yè)時(shí)效率較高。但在需要頻繁移動(dòng)的條件下，效率顯著下降。 ( 3 )手推車式實(shí)現(xiàn)了牽引機(jī)械化，但須有人跟隨手扶駕駛。 ( 4 )動(dòng)力牽引式實(shí)現(xiàn)了行駛機(jī)械化，一次攜帶的藥液量大。但需要配備額外的牽引 裝置，總體作業(yè)成本較高。且需要專人駕駛，依然沒(méi)有解除藥液對(duì)人體的侵害。 這些類型的噴霧機(jī)械大部分都實(shí)現(xiàn)了泵液的機(jī)械化，很大程度上提高了噴霧作業(yè)的效率和減 輕了作業(yè)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。但由于作業(yè)的全過(guò)程仍然得有人工的參與，這樣使得操作者擺脫不了受 有毒藥劑侵害的危險(xiǎn)，而且也限制了勞動(dòng)效率的進(jìn)一步提高。例如，使用背負(fù)式噴霧機(jī)，一人一 犬只能作業(yè)2 3 畝左右。而比較大型的動(dòng)力牽引式和車載式噴霧機(jī)又需要配備專門的牽引機(jī)械， 總體成本比較高，也不適合我國(guó)分散小塊經(jīng)營(yíng)的現(xiàn)狀。 至于國(guó)外的情況，歐美和日本在噴霧機(jī)械的發(fā)展上形成了不同的風(fēng)格。歐美等國(guó)發(fā)展了大型 的噴霧機(jī)械，最典型也最先進(jìn)的是用于大棚作業(yè)的固定軌道式噴霧機(jī)。這種噴霧機(jī)采用計(jì)算機(jī)控 制，自動(dòng)化程度和作業(yè)效率都很高。但其成本也很高，就我國(guó)引進(jìn)的機(jī)型來(lái)看，價(jià)格在1 0 萬(wàn)元， 套以上，主要用在高檔高產(chǎn)值的溫室大棚內(nèi)，而我國(guó)的溫室大棚大多是土法上馬的，其本身的造 價(jià)和產(chǎn)值還比較低，所以這種噴霧機(jī)不適合我國(guó)的國(guó)情。 而日本研制的全自動(dòng)化的小型噴霧機(jī)械，不需在田間安裝固定軌道，成本低；全自動(dòng)運(yùn)行， i 一作效率高，完全不需要人工的干預(yù)，其使人遠(yuǎn)離有毒藥劑，是一種清潔健康的產(chǎn)品。我們認(rèn)為， 這樣的噴霧機(jī)械是比較適合我國(guó)國(guó)情的。 i 4 課題研究的內(nèi)容和意義 從噴霧機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀看，我國(guó)現(xiàn)有的噴霧機(jī)械的自動(dòng)化水平普遍很低，有的甚至根本沒(méi)有 半點(diǎn)自動(dòng)化的成分，這是造成各種不足和限制噴霧機(jī)械進(jìn)一步發(fā)展的主要原因。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，各種自動(dòng)化的產(chǎn)品紛紛出現(xiàn)。而將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)引入到噴霧 機(jī)械的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，是進(jìn)一步提高作業(yè)效率和改善勞動(dòng)條件的關(guān)鍵，也是設(shè)施農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā) 展的要求。本課題也就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。 1 9 9 7 年，我國(guó)農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)了國(guó)際引進(jìn)項(xiàng)目( “9 4 8 ”項(xiàng)目) 。本課題作為農(nóng)業(yè)部“9 4 8 ”項(xiàng)目“植 保機(jī)械農(nóng)藥防護(hù)技術(shù)及關(guān)鍵器械引進(jìn)”的子課題，主要負(fù)責(zé)引進(jìn)農(nóng)藥噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn) 化研制工作。本課題所要研制的噴霧機(jī)器人即是在借鑒日本經(jīng)驗(yàn)的情況下產(chǎn)生的。 2 頌上學(xué)位論文第一章緒論 與現(xiàn)有的噴霧機(jī)械相比，自動(dòng)作業(yè)的噴霧機(jī)器人具備如下優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 全自動(dòng)化作業(yè)，不需人工干預(yù)，改善勞動(dòng)條件。 ( 2 ) 體積小，重量輕，成本較低。 ( 3 ) 田間各處的噴霧量更均勻，噴霧質(zhì)量好。 ( 4 ) 作業(yè)效率高，適合大面積的大棚作業(yè)。 ( 5 ) 易實(shí)現(xiàn)智能化。 可以預(yù)見(jiàn)，隨著對(duì)農(nóng)業(yè)投入力度的加大，我國(guó)現(xiàn)代化的農(nóng)機(jī)具將會(huì)有一個(gè)較大的發(fā)展。田間 自動(dòng)噴霧機(jī)器人將大大提高生產(chǎn)率和保護(hù)操作者的健康。 此項(xiàng)研究第一次將自動(dòng)化的概念引進(jìn)到噴霧機(jī)械的研制中來(lái)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，對(duì)此類研究 具有一定的指導(dǎo)意義。 3 第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2 1 噴霧機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境 在進(jìn)行噴霧機(jī)器人自身的設(shè)計(jì)之前，必須對(duì)機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境有一個(gè)清楚的認(rèn)識(shí)。我們本著 ：廠化精細(xì)農(nóng)業(yè)的宗旨對(duì)田間環(huán)境進(jìn)行規(guī)范化處理，在作物問(wèn)開(kāi)辟出一些供機(jī)器人行駛的行道。 行道的分布大致有如下圖所示的四種情形： f 圖2 1 田間行道 ：主行道從中央直穿整個(gè)地塊，在主行道的左右兩旁均分布有橫向行道。這種劃分方式 適合于較大的地塊。 ( 多：只在主行道的右邊分布有橫向行道。 ( d ：只在主行道的左邊分布有橫向行道。 ( d ：沒(méi)有任何的橫向行道，機(jī)器人在作業(yè)時(shí)不用拐彎，這種劃分方式只適合于比較小的地 塊。 由丁其它地塊劃分方式都可以認(rèn)為是第一種方式的特例，所以接下來(lái)主要以第一種方式討論 噴霧機(jī)器人的工作過(guò)程。 2 2 噴霧機(jī)器人的作業(yè)過(guò)程和整體功能 噴霧機(jī)器人的具體工作過(guò)程和在田間的行走路線如圖2 - 2 所示。 噴霧機(jī)器人配套動(dòng)力噴霧機(jī)( 泵) 一起完成噴霧作業(yè)。動(dòng)力噴霧機(jī)加壓，噴霧機(jī)器人攜帶噴 頭及管子一起順著田間行道行走，并隨時(shí)釋放( 往) 和卷緊( 返) 噴管。在動(dòng)力噴霧機(jī)附近和每 行作物的行始端安裝有導(dǎo)管器。如圖中箭頭所指示，噴霧機(jī)器人從田間入口處進(jìn)入，沿著主行道 前進(jìn)。遇到首行標(biāo)志后，拐彎( 9 0 度) 走向主行道兩邊的橫向行道，遇到行尾標(biāo)志機(jī)器人反向行 駛。在橫向行道行駛過(guò)程中，機(jī)器人按設(shè)定的方式噴霧( 往噴或返噴) 。完成一橫向行作業(yè)后， 4 沿主行道返回，檢測(cè)行頭標(biāo)志，依次進(jìn)行以下各行的噴霧作業(yè)。最后噴霧機(jī)器人從入口處退出 遇到作業(yè)終止標(biāo)志后停止工作，作業(yè)完成。 圖2 - 2 田間作業(yè)過(guò)程 為了完成上述自動(dòng)噴霧作業(yè)的任務(wù)，考慮到田間作業(yè)的其他因素，該噴霧機(jī)器人應(yīng)具備如 f 功能： 內(nèi)藏有幾種傳感器，能檢測(cè)放置于田間的首行、行頭、行尾、作業(yè)終止標(biāo)志，完 成自動(dòng)轉(zhuǎn)向和啟停。 裝備有升降和拐彎裝置。以上升- - 拐彎( 9 0 度) - - 下降的方式拐彎，這樣 不僅可以保證拐彎角度的準(zhǔn)確，而且減小了機(jī)器人的拐彎半徑，從而減小田間行 道的寬度，充分利用耕地面積。 保持一定的行走速度，盡量提高機(jī)器人的作業(yè)效率。具有幾種速度可調(diào)。具體速 度在0 5 米，秒0 1 7 米，秒之間。 前進(jìn)散布( 噴霧) 、后退散布和前進(jìn)后退散布方式可選，不散布時(shí)自動(dòng)以高速返回， 以提高工作效率。 適應(yīng)圖2 - 1 中的4 種地塊劃分方式的作業(yè)，工作方式可以分別通過(guò)控制面板設(shè)定為 左右拐彎、右拐彎、左拐彎、不拐彎。 由于田間的地形不可避免地會(huì)有起伏，機(jī)器人走偏時(shí)有可能翻到。所以應(yīng)有傾倒 檢測(cè)裝置，機(jī)器人翻倒一定角度時(shí)，給出警告，并由系統(tǒng)做出相應(yīng)的處理。 具備手動(dòng)操作的功能，能完全由手工操作完成整個(gè)的田問(wèn)作業(yè)。 ) ) ) ) ) ) ) “ 汜 o ( 8 )能對(duì)控制系統(tǒng)自身的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以l e d 和蜂鳴器予以指示。 ( 9 ) 有自動(dòng)卷管機(jī)構(gòu)，保證停止制動(dòng)時(shí)卷管部分不滑動(dòng)。 2 3 總體設(shè)計(jì)方案 2 3 1 組成與結(jié)構(gòu) 從上述機(jī)器人應(yīng)具備的功能可以看出，其主要的組成部分應(yīng)有行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī) 構(gòu)、卷管機(jī)構(gòu)、噴霧機(jī)構(gòu)、傳感器和控制系統(tǒng)。圖2 - 3 為機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的側(cè)面示意圖。 卜一扶手 6 一鏈條 1 l 一前輪 2 一操作面板 一卷管輪 1 2 一電瓶 3 一控制箱4 一噴管 8 一托板 卜噴頭 1 3 - - 行走電機(jī) 圖2 - 3 噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 5 后輪 1 卜傳動(dòng)箱 升降、轉(zhuǎn)向用的電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在傳動(dòng)箱內(nèi)，在圖中沒(méi)有畫出。 行走電機(jī)和卷管輪之間采用一級(jí)棘輪傳動(dòng)。機(jī)器人后退時(shí)，行走電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)卷管輪順 時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，收卷噴霧管：而機(jī)器人前進(jìn)時(shí)卷管輪依靠噴霧管的自然拉力逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，釋放噴 霧管。托板8 在升降電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可相對(duì)機(jī)器人車身做上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車身相對(duì)地面的升降 運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人升起后，整個(gè)車身都依靠托板8 支撐，這時(shí)轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)車身相對(duì)于托板8 左右轉(zhuǎn)， 也就完成了機(jī)器入相對(duì)地面的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。 2 3 2 執(zhí)行部件的選取 常用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)形式有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)和電動(dòng)三種。液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)都需要配備液壓泵 或氣泵，整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積比較大，成本高。而且一般氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的輸出力矩小，液壓驅(qū)動(dòng)雖然輸出 的力矩可以很大，但在輸出較大力矩時(shí)對(duì)汽缸的密封性能要求提高，使成本進(jìn)一步增加。而電動(dòng) 6 驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)( 也就是電動(dòng)機(jī)) 則體積小，采用電瓶供電比較方便，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本低得多。 電動(dòng)機(jī)可分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩大類，分別采用交流和直流電源供電。噴霧機(jī)器人 用丁二戶外田間作業(yè)，只能選用直流供電的形式。而直流電動(dòng)機(jī)又可分為勵(lì)磁式和他勵(lì)式兩種，在 一般的麻用場(chǎng)合，大多采用他勵(lì)式直流電機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)只需改變電樞電壓，便可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào) 速，而且其機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較廣，完全可以滿足機(jī)器人行走的要求。所以我們選用它勵(lì) 式直流電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人的行走動(dòng)力，電機(jī)功率4 5 w ，額定電壓2 4 伏。電機(jī)內(nèi)部包含減速器， 其速比為2 5 ：1 ，這樣電機(jī)的輸出輪可直接和機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪以鏈條相連，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)部分的 設(shè)計(jì)，使機(jī)器人的體積和重量大大減小。 至于轉(zhuǎn)向和升降用的電動(dòng)機(jī)，考慮到簡(jiǎn)化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，我們采用輸出為直線運(yùn)動(dòng)的直 流線性馬達(dá)( 電動(dòng)缸) 。電動(dòng)缸主要由電動(dòng)機(jī)、減速裝置、保護(hù)裝置、絲杠鏍桿機(jī)構(gòu)及杠殼組成， l 卜習(xí)瀹 圖2 - 4 電動(dòng)缸外形圖 其外形如圖2 - 4 所示。隨著電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，推桿順著缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。保護(hù)裝置限定推桿行程 防止發(fā)生過(guò)沖事故，其工作原理如圖2 - 5 所示： ab 圖2 - 5 電動(dòng)缸保護(hù)電路 圖中k 1 、k 2 為常閉的行程開(kāi)關(guān)。當(dāng)凸臺(tái)位于k i 、k 2 之間時(shí)，k i 、k 2 都閉合，隨著a 、b 兩點(diǎn)間電壓方向的不同，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)推桿相對(duì)缸套做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在圖2 - 5 中，我 們假設(shè)a 接電源正極，b 接電源負(fù)極時(shí)推桿向右運(yùn)動(dòng)，反之則推桿向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)推桿向右運(yùn)動(dòng)到 極限位置時(shí)，固定于推桿上的凸臺(tái)碰到行程開(kāi)關(guān)k 2 ，使k 2 斷開(kāi)，電流被切斷，電機(jī)停止。此時(shí) 可以將a 、b 間的電壓反向，電流通過(guò)二極管i ) 2 ，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，推桿向左運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)到左極限 位置后，凸臺(tái)碰到開(kāi)關(guān)k l ，電動(dòng)機(jī)線圈電流又被切斷。使推桿上的凸臺(tái)不可能超出k l 、k 2 這 兩個(gè)位置，從而起到限定行程和保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。 2 3 3 傳動(dòng)方案 行走電動(dòng)機(jī)內(nèi)部配備有減速器，所以在電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間采用簡(jiǎn)單的鏈條傳動(dòng)，在此不予祥 述。以下只對(duì)升降機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行闡述。 7 ( 1 ) 升降機(jī)構(gòu) 采用一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的升降運(yùn)動(dòng)，如f 圖所示： 圖2 - 6 升降機(jī)構(gòu)示意圖 導(dǎo)槽固定于機(jī)器人車身上，銷子l 和銷子2 可以在導(dǎo)槽中滑動(dòng)。電動(dòng)缸推桿和銷子2 緊固在 一起，缸套則固定在車身上。電動(dòng)缸推桿向外伸出時(shí)，托板相對(duì)車身向下運(yùn)動(dòng)，依靠地面的反推 力迫使機(jī)器人升起，反之則機(jī)器人下降。 ( 2 ) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 圖2 7 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖 圖中軸和電動(dòng)缸缸套固定在機(jī)器人車身上，推桿通過(guò)銷子和套筒連接在一起，而套筒則緊固 在圖2 - 6 所示的托板上。當(dāng)電動(dòng)缸推桿向外伸出時(shí)，車身相對(duì)于托板旋轉(zhuǎn)。若此時(shí)機(jī)器人已經(jīng)升 起，則托板相對(duì)地面不動(dòng)，機(jī)器人車身相對(duì)于托板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也就是機(jī)器人的左右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。適當(dāng) 調(diào)節(jié)電動(dòng)缸行程的長(zhǎng)度，就可以使機(jī)器人每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為9 0 度。 2 3 4 行走電機(jī)速度調(diào)節(jié)方式 2 3 4 1 直流電機(jī)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和各參量的關(guān)系可用下式表示 1 1 2 ( u i r ) ( k c 中) 式中，n 為轉(zhuǎn)速，單位是r p m ( 轉(zhuǎn)9 - 鐘) ； u 為電樞電壓，單位是v ( 伏) 8 中為勵(lì)磁磁通，單位是w b ： r 為電樞電路電阻，單位為o ； i 為電樞電流，單位是a ( 安) ： k e 為由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 由上式可以看出，要想改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可有三種不同的方式：調(diào)節(jié)電樞供電電壓u ， 改變電樞回路電阻r ，調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁通中。 因?yàn)楦淖冸娮枵{(diào)速會(huì)在電阻上消耗較多的電能，使電機(jī)的工作效率不商：而調(diào)節(jié)磁通范圍很 小，不然將造成飛車事故，所以直流電機(jī)以變壓調(diào)速為主。 變壓的方式也有多種。目前廣泛采用的是利用晶閘管的可控整流器和采用全控型電力電子器 件組成的直流斬波器或脈沖寬度調(diào)制( p y & i ) 變換器。p 腓變換器一般具有能耗小，效率高的特點(diǎn)。 2 3 4 2p w m 贏流調(diào)速 p w m ( 脈寬調(diào)制) 調(diào)速的原理如圖2 8 所示： 當(dāng)開(kāi)關(guān)s w 接通時(shí)電源e 加在電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng) 二極管續(xù)流，電機(jī)兩端電壓近似為零。如此反復(fù)循環(huán)，電機(jī)兩端的電壓波形如圖2 - 8b 所示。而 當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率足夠高時(shí)，電動(dòng)機(jī)兩端將得到幾乎連續(xù)穩(wěn)定的平均電壓，該平均電壓為： v a = t 0 。e t = 6e 式中，t 為開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)周期；t o n 為開(kāi)通時(shí)問(wèn)；6 = t o n t 為開(kāi)通占空比。 改變開(kāi)通占空比，平均電壓也隨之改變，如果將該電壓加在直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，就可以 控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就是通過(guò)改變開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制平均輸出電壓大小的脈沖寬度調(diào)制方 法( p i l l ) 。 e a vj = 喜丹。 e 1 一 ot o t r ， t b 圖2 - 8p 刪調(diào)速原理 p w m 調(diào)速系統(tǒng)與可控整流式調(diào)速系統(tǒng)相比由下列優(yōu)點(diǎn)：由于p w m 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較 高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性好；開(kāi)關(guān)器件只工作在開(kāi)關(guān) 狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高。而且，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新一代的電力電子器件。 這樣的電力電子器件成本低，控制方便，大大促進(jìn)了p w m 調(diào)速系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用。 本系統(tǒng)中的行走電機(jī)對(duì)調(diào)速精度要求不高( 2 0 ) ，只要求有幾種速度可選。考慮到p w m 調(diào)速的上述優(yōu)點(diǎn)，我們采用開(kāi)環(huán)形式的p w m 調(diào)速。 另外，由于在本系統(tǒng)中采用的控制器為單片機(jī)，完全可以以軟硬件相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)p w m 凋速，減小硬件電路的復(fù)雜程度，降低成本。 9 2 3 5 田間標(biāo)志檢測(cè)方式的確定 機(jī)器人要完成自動(dòng)拐彎、啟停等操作，首先必須識(shí)辨田間的位置標(biāo)志，所以選擇合適的田間 標(biāo)志檢測(cè)方式很重要，這也就是一個(gè)傳感器的選擇問(wèn)題。 傳感器的種類很多可分為接觸式的和非接觸式的。而非接觸式式傳感器又有光傳感器、電 感式傳感器和磁傳感器等多種。 首先，由于機(jī)器人的移動(dòng)工作，要求檢測(cè)方式是非接觸的。為了可靠地檢測(cè)到田間標(biāo)志，要 求檢測(cè)距離要求大于1 5 倍的車輪半徑( 1 0 0 m 以上) 。 可以考慮選取紅外傳感器，但由于田間的作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，容易對(duì)紅外傳感器造成干擾。 磁傳感器的工作只受鐵磁質(zhì)物質(zhì)的影響，而不會(huì)被田間的雜物所干擾。 所以選用磁傳感器是一個(gè)好的方案。如圖2 - 9 所示，傳感器安裝于機(jī)器人上。而磁標(biāo)志( 磁 塊) 放置于田間。首行標(biāo)志、作業(yè)終止標(biāo)志、行頭標(biāo)志都由同一種傳感器檢測(cè)，其區(qū)別是對(duì)應(yīng)的 傳感器安裝的位置不同首行傳感器置于機(jī)器人的前方，朝前；行頭和行尾的傳感器置于機(jī)器 人的下方，朝下；作業(yè)終止傳感器置于機(jī)器人的后方，朝后。 2 5 控制系統(tǒng)總體方案 2 5 1 控制系統(tǒng)的功能 圖2 - 9 傳感器安裝與檢測(cè)示意圖 因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是噴霧機(jī)器人的關(guān)鍵部分，以上機(jī)器人整體功能的實(shí)現(xiàn)很大程度上都依賴于控 制系統(tǒng)的功能，所以明確機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能非常重要。以下便是機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)具備的具 體功能： ( 1 ) 控制機(jī)器人整機(jī)的升，降，啟，停，轉(zhuǎn)向，行走，噴霧閥的啟閉，讓機(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng) 部件協(xié)調(diào)地工作。且有一定的保護(hù)措施。防止各運(yùn)動(dòng)部件之間的干涉。 ( 2 ) 能對(duì)機(jī)器人的行走速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，有幾種速度可選。采取一定的措施保證行走速度穩(wěn) 定在額定速度的2 0 。 ( 3 ) 安裝合適的磁標(biāo)志傳感器，能檢知田間的位置標(biāo)志，控制機(jī)器人按預(yù)定的工作方式和 1 0 行走路線作業(yè)。 ( 4 ) 對(duì)噴霧機(jī)器人所用的電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，在面板上予以顯示。電壓低于一定值時(shí)應(yīng)給 出警告，提示充電。 ( 5 ) 選用合適的傾倒傳感器，采集傾倒傳感器的信號(hào)，噴霧機(jī)器人傾倒時(shí)給出警告及做停 機(jī)等處理，以防事故的發(fā)生。 ( 6 )提供用戶操作接口( 按鍵和顯示) ，能讓用戶方便地了解系統(tǒng)狀態(tài)和設(shè)定噴霧機(jī)器人 的工作方式。 ( 7 ) 應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，適應(yīng)各種氣候的田間作業(yè)。 2 5 2 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 從噴霧機(jī)器人控制系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的功能可以看出，該系統(tǒng)應(yīng)具有前向通道( 傳感器) 、后向通 道( 電機(jī)及噴霧閥等的控制) 和邏輯運(yùn)算部分( 決定控制時(shí)機(jī)和方式) 及人機(jī)界面，是一個(gè)典型 的測(cè)控系統(tǒng)。由于單片機(jī)系統(tǒng)的測(cè)控功能強(qiáng)，可靠性高，體積小，有專門的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，調(diào)試方便， 且成本低，所以優(yōu)先考慮用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。 以單片機(jī)為中心，則該控制系統(tǒng)的控制過(guò)程如下： 設(shè)定工作模式采集傳感器信號(hào)接受鍵盤輸入 邏輯運(yùn)算 控制和狀態(tài) 信號(hào)輸出。這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)也就可以劃分為單片機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器、電源、 和控制面板幾部分。以下便是控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖： 圖2 1 0 控制系統(tǒng)原理框圖 2 5 3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì) 人機(jī)界面分為兩部分：鍵盤和顯示。鍵盤用于完成電源的開(kāi)關(guān)、系統(tǒng)工作方式設(shè)定、手動(dòng)操 作和自動(dòng)操作的啟停；顯示部分采用l e d 指示，用于指示用戶設(shè)定的系統(tǒng)工作方式、當(dāng)前的 系統(tǒng)狀態(tài)等信息。 由于田問(wèn)作業(yè)環(huán)境的雨水較多，控制面板被沒(méi)計(jì)成密封的防水安裝形式。 以下是控制面板的外觀圖( 不按比例) ： 圖2 1 1 控制面板外觀圖 面板中各按鍵的含義與功能如下； “開(kāi)”：按下后打開(kāi)電源，并指示各種初始狀態(tài)： “關(guān)”：按下則關(guān)閉電源。 “左右”：循環(huán)設(shè)定與地塊劃分方式有關(guān)的機(jī)器人左右旋轉(zhuǎn)方式( 右轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn)一 左右 轉(zhuǎn) 不轉(zhuǎn)一 右轉(zhuǎn)) ，停車時(shí)有效。 “往返”：循環(huán)設(shè)定機(jī)器人往返噴霧方式( 往返噴霧一 往噴一 返噴一 不噴霧一 往返噴) ，停車時(shí)有效。 “當(dāng)前位置”：設(shè)定和指示機(jī)器人的當(dāng)前方位和行走方向，停車時(shí)可設(shè)定。 “行走速度”：循環(huán)設(shè)定機(jī)器人的行走速度( 高一 低一 高) 。 “運(yùn)轉(zhuǎn)”：停車時(shí)，按下此鍵即開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)；機(jī)器人正在執(zhí)行手動(dòng)操作且手動(dòng)操作中停( 機(jī) 器人已經(jīng)升起) 時(shí)，按下此鍵則繼續(xù)未完的手動(dòng)操作，否則不予反應(yīng)。 “停止”：機(jī)器人正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，按下此鍵則停止自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)可以進(jìn)行手動(dòng)操作；當(dāng)機(jī) 器人正在進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，按下此鍵則暫停正在進(jìn)行的手動(dòng)操作；機(jī)器人已經(jīng)停止時(shí)按下此鍵則 顯示電瓶電壓的滿度，釋放后又恢復(fù)為速度指示。 “左轉(zhuǎn)”：機(jī)器人處于升起狀態(tài)時(shí)。按一次機(jī)器人左轉(zhuǎn)9 0 度，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)；若機(jī)器人沒(méi)有 升到頂端，則先升起再左轉(zhuǎn)9 0 度，下降，最后停止：機(jī)器人不能左轉(zhuǎn)時(shí)( 正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng)在 1 2 左邊了) 該按鍵無(wú)效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “右轉(zhuǎn)”：機(jī)器人處于升起狀態(tài)時(shí)，按一次機(jī)器人右轉(zhuǎn)9 0 度，然后停止轉(zhuǎn)動(dòng)；若機(jī)器人沒(méi)有 升到頂端，則先升起再右轉(zhuǎn)9 0 度，下降，最后停止；機(jī)器人不能右轉(zhuǎn)時(shí)( 正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng)在 右邊了) 該按鍵無(wú)效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “上升”：按機(jī)器人開(kāi)始上升，上升到頂端后停止。機(jī)器人不能上升時(shí)( 正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng) 在頂端了) 該按鍵無(wú)效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “下降”：按機(jī)器人開(kāi)始下降，下降到底端后停止。機(jī)器人不能下降時(shí)( 正自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或已經(jīng) 在底端了) 該按鍵無(wú)效，按下時(shí)蜂鳴器響。 “前進(jìn)”：點(diǎn)動(dòng)按鍵，按下時(shí)機(jī)器人前進(jìn)，松開(kāi)后制動(dòng)( 停車且非手動(dòng)操作時(shí)有效) 。 “后退”：點(diǎn)動(dòng)按鍵，按下時(shí)機(jī)器人后退，松開(kāi)后制動(dòng)( 停車且非手動(dòng)操作時(shí)有效) 。 “噴霧”：手動(dòng)鍵按下打開(kāi)噴霧閥再次按下關(guān)閉噴霧閥。 面板中的各指示燈的含義如下： “電源”指示燈：位于“開(kāi)”按鍵上方。系統(tǒng)接通電源時(shí)亮，切斷電源時(shí)熄滅；當(dāng)電瓶需要 充電時(shí)在蜂嗚器發(fā)出“嘀”、“嘀”聲的同時(shí)電源指示燈閃爍。 系統(tǒng)“狀態(tài)”指示燈：位于“關(guān)”按鍵上方。當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)，系統(tǒng)指示點(diǎn)亮，否則熄滅。 速度電壓指示燈：六個(gè)，位于“關(guān)”按鍵和“左右”按鍵中間。平時(shí)指示機(jī)器人的行走速 度；在機(jī)器人停止( 包括手動(dòng)操作中停) 的狀態(tài)下按下“停止”按鍵時(shí)指示電瓶電壓的滿度， 釋放按鍵后又恢復(fù)為行走速度指示。行走速度或電瓶電壓滿度由小到大時(shí)，對(duì)應(yīng)依次從下到上點(diǎn) 亮不同的指示燈。 左右拐彎設(shè)定指示燈：兩個(gè)，位于“左右”按鍵上方。機(jī)器人設(shè)定為左( 右) 拐彎時(shí)，左 ( 右) 邊指示燈亮，右( 左) 邊指示燈滅；機(jī)器人設(shè)定為左右拐彎時(shí)，兩個(gè)指示燈都亮；機(jī)器人 設(shè)定為不拐彎時(shí)，兩個(gè)指示燈都熄滅。 往返噴霧指示燈：兩個(gè)，位于“往返”按鍵上方。機(jī)器人設(shè)定為往( 返) 噴時(shí)，左( 右) 邊指示燈亮，右( 左) 邊指示燈滅；機(jī)器人設(shè)定為往返噴霧時(shí)，兩個(gè)指示燈都亮；機(jī)器人設(shè)定為 不噴霧時(shí)，兩個(gè)指示燈都熄滅。 “當(dāng)前位置”指示燈：四個(gè)，位于“當(dāng)前位置”按鍵上方。上方指示燈點(diǎn)亮?xí)r表示機(jī)器人的 當(dāng)前位置在主工作道上前進(jìn)；下方指示燈點(diǎn)亮?xí)r表示機(jī)器人的起始位置在主工作道上返回；右 邊指示燈點(diǎn)亮表示機(jī)器人的當(dāng)前位簧在橫向行道上前進(jìn)；左邊指示燈點(diǎn)亮表示機(jī)器人的當(dāng)前位置 在橫向行道上返回。 運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈：機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)或手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)點(diǎn)亮，停車時(shí)熄滅。機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中傾倒時(shí)閃 爍( 同時(shí)蜂鳴器發(fā)出“嘀”、“嘀”聲) 。 人機(jī)界面中還包括蜂鳴器，當(dāng)出現(xiàn)以下種情況時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，給出警告或提示 ( 1 ) 按鍵無(wú)效。 ( 2 ) 機(jī)器人傾倒。 ( 3 ) 電瓶電壓嚴(yán)重不足，需要充電。 另外，用戶每次按下按鍵時(shí)，蜂鳴器發(fā)出短促的嘀嗒聲，給出提示。 第三章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)功能劃分，整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)主板電路、外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路、傳 感器電路以下就分這三個(gè)方面分別予以介紹。 3 1 單片機(jī)系統(tǒng)主板電路 3 1 1 輸入輸出信號(hào) 任何一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先得搞清楚它與外界的關(guān)系，而單片機(jī)系統(tǒng)主板電路與外界的關(guān)系無(wú) 非是若干路輸入輸出信號(hào)。由控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)可知，該主板電路的輸入輸出信號(hào)如下表所示 表3 - 1 單片機(jī)系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)： 名稱方向形式i o 數(shù)量隔離備注 首行傳感器信號(hào) 入正脈沖l否脈沖上升沿有效 行頭傳感器信號(hào)入正脈沖 l 否脈沖上升沿有效 作業(yè)終止傳感器信號(hào) 入正脈沖l否 脈沖上升沿有效 轉(zhuǎn)向行程開(kāi)關(guān)信號(hào)入開(kāi)關(guān)量 2 否分別表示左右兩個(gè)位置 升降行程開(kāi)關(guān)信號(hào)入開(kāi)關(guān)量 2否 分別表示上下兩個(gè)位置 傾倒傳感器入開(kāi)關(guān)量 1 否高電平表示機(jī)器人傾倒 行走電機(jī)p w m 信號(hào)出開(kāi)關(guān)量 2 是脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)向電機(jī)啟停信號(hào)出開(kāi)關(guān)量 l 是高電平啟動(dòng)，低電平停止 轉(zhuǎn)向電機(jī)方向信號(hào)出開(kāi)關(guān)量 1 是商電平左轉(zhuǎn)，低電平右轉(zhuǎn) 升降電機(jī)啟停信號(hào)出開(kāi)關(guān)量 1 是高電平啟動(dòng)，低電平停止 升降電機(jī)方向信號(hào)出開(kāi)關(guān)量 1 是高電平上升，低電平下降 噴霧閥開(kāi)關(guān)信號(hào)出開(kāi)關(guān)量 l 是高電平打開(kāi)，低電平關(guān)閉 轉(zhuǎn)向設(shè)定指示出開(kāi)關(guān)量 2 否左( 1 0 ) 、右( 0 1 ) 、左右( 1 1 ) 、 不轉(zhuǎn)( o o ) 往返噴霧設(shè)定指示出開(kāi)關(guān)量 2否 往( 0 1 ) 、返( 1 0 ) 、往返( 1 1 ) 、 不噴( o o ) 行走速度、電源電壓出開(kāi)關(guān)量3否 譯碼后完成六種速度和六 指示 種電源電壓的指示 當(dāng)前位置設(shè)置指示出開(kāi)關(guān)量2否 蜂鳴器信號(hào)出開(kāi)關(guān)量l是高電平有效( 嗚叫) 系統(tǒng)狀態(tài)指示信號(hào)出開(kāi)關(guān)量l否低電平表示系統(tǒng)正常 運(yùn)轉(zhuǎn)指示信號(hào)出開(kāi)關(guān)量1否 - 1 4 - 合計(jì)占用i o 口線2 7 根。其中輸入口線8 根，輸出口線1 9 根；需要電氣隔離的輸入口線0 根，需要電氣隔離的輸出口線8 根。 3 1 2 單片機(jī)系統(tǒng)主板電路總體結(jié)構(gòu) 從表3 - 1 可以看出，該單片機(jī)系統(tǒng)主板電路的輸入輸出信號(hào)主要分為以下幾類： ( 1 )傳感器( 包括升降、轉(zhuǎn)向行程開(kāi)關(guān)和磁傳感器及傾倒傳感器) 輸入信號(hào)； ( 2 )需要隔離的外設(shè)( 電機(jī)、噴霧閥、蜂鳴器等) 驅(qū)動(dòng)信號(hào)； ( 3 )面板指示( l e d ) 信號(hào)： ( 4 )電瓶電壓信號(hào)。 對(duì)不同種類的信號(hào)采用相應(yīng)得外圍電路予以處理，可得出該單片機(jī)系統(tǒng)得原理框圖如下 圖3 - l 主板電路原理框圖 3 1 3 主要元器件的選擇和電路的實(shí)現(xiàn) ( 1 ) 單片機(jī)：該單片機(jī)系統(tǒng)主要涉及開(kāi)關(guān)量的輸入輸出及邏輯運(yùn)算，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高。 而8 0 3 1 單片機(jī)，具備兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)器和2 5 6 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，經(jīng)擴(kuò)展后資源 方面完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。而且該芯片成本低，技術(shù)成熟，是本系統(tǒng)的最好選擇。 ( 2 ) 程序存儲(chǔ)器：?jiǎn)纹瑱C(jī)的程序量比較小，考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，采用8 k 字節(jié)的可擦寫程 序存儲(chǔ)器2 7 6 4 。 ( 3 ) i 0 口擴(kuò)展；采用具有2 4 路輸入輸出口線的i 0 芯片8 2 5 5 ，再加上單片機(jī)本身具有的 一些i 0 口線，完全可以滿足表3 - i 的i 0 口數(shù)量要求。p a 口作為傳感器信號(hào)輸入口，p b 口為 外設(shè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出口，p c 口為面板指示信號(hào)輸出口。用第1 5 根地址線作為其片選線，則8 2 5 5 - 1 5 - 控制狀態(tài)口地址為l * o b f f f i t ，各i 0 口地址為：p a 口，# o b f f c h ；p b 口，# o b f f i ) l t ；p c 口，g o b f f e g 。 ( 4 ) 鍵盤管理：擴(kuò)展一片8 2 7 9 鍵盤顯示控制芯片，用于鍵盤管理。8 2 7 9 命令口地址# o d f f f t l ， 數(shù)據(jù)口地址為# o d f f e h 。 8 2 7 9 是一種通用的可編程的鍵盤、顯示接口器件，能完成按鍵的識(shí)別和消抖，比用戶自行開(kāi) 發(fā)鍵盤管理電路來(lái)得方便。但在本控制系統(tǒng)中，點(diǎn)動(dòng)鍵“前進(jìn)”、“后退”要求能夠識(shí)別按鍵釋放 的動(dòng)作( 按下時(shí)前進(jìn)或后退，釋放時(shí)停止) ，這是8 2 7 9 所不能完成的，筆者設(shè)計(jì)了一附加電路以 實(shí)現(xiàn)該功能。以下便是該電路的工作原理： 圖3 2 按鍵釋放識(shí)別電路原理 如圖3 2 所示，s l o s l 3 為8 2 7 9 的掃描線，r l o - r l 3 為8 2 7 9 的回復(fù)線( 8 2 7 9 有8 根回復(fù)線， 這里只畫出了其中的4 根) 。 8 2 7 9 以編碼方式掃描鍵盤時(shí)，按照一定的頻率依次在掃描線s l o s l 3 上輸出低電平。當(dāng)某鍵 被按下時(shí)，該鍵所處的行線( 回復(fù)線) 上的電平將與其所處的列線( 掃描線) 上的電平保持一致， 這樣就會(huì)在該行線上產(chǎn)生與8 2 7 9 掃描頻率同步的脈沖信號(hào)。而按鍵釋放后由于上拉電阻的存在， 行線將恢復(fù)為高電平。例如，按下s l o 和r l o 交匯處的鍵l 時(shí)，回復(fù)線r l o 上就會(huì)隨s l o 的電平 變化而產(chǎn)生如圖3 3 所示的脈沖，圖中t 即為8 2 7 9 的掃描周期： 圖3 - 3 按鍵釋放識(shí)別電路輸出脈沖 如果將所有的回復(fù)線接到一個(gè)與門的輸入端，則只要有鍵按下，與門就會(huì)輸出圖3 - 3 所示的 脈沖信號(hào)，所有按鍵釋放后，其輸出才又恢復(fù)為恒定的高電平。這樣，要實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵釋放動(dòng)作的 識(shí)別，只需對(duì)與門輸出的脈沖信號(hào)予以識(shí)別。 筆者采用了軟硬件相結(jié)合的方式來(lái)識(shí)別該脈沖信號(hào)。將與門的輸出引入到單片機(jī)8 0 3 1 的外 - 1 6 部中斷0 ，則在按鍵被按下期間，將連續(xù)產(chǎn)生若干次中斷請(qǐng)求。在中斷服務(wù)程序中，只需反復(fù)地 將一標(biāo)志位( 標(biāo)志著脈沖信號(hào)的存在) 置1 。在等待按鍵釋放的程序中，首先清除該標(biāo)志位，延 遲一段時(shí)間后再檢查該標(biāo)志位，若標(biāo)志位變?yōu)? 則認(rèn)為仍有鍵按下( 在延遲期間有外部中斷0 產(chǎn) 生) ，清除標(biāo)志位重復(fù)以前的步驟：如果標(biāo)志位仍然為0 則認(rèn)為按鍵已經(jīng)釋放( 在延遲期間沒(méi)有 外部中斷0 產(chǎn)生) 。具體的中斷服務(wù)程序和等待按鍵釋放程序如下： 中斷服務(wù)程序： i n t o ： s e t b k e y _ y e t 1 ) o w n f l a g r e t i 等待按鍵釋放程序： w n it _ f o r k e y u p ： c l r k e y y e t d o w n f l a g s e t be t 0 l c a l l d e l a y j b k e y _ y e t d o w n f l a g ，w a i t _ f o rk e y _ u p 在這里，最重要的是選擇好等待按鍵釋放程序中的延遲時(shí)間，太長(zhǎng)了釋放動(dòng)作得不到及時(shí)得 響應(yīng)，而太短( 小于中斷0 的周期) 了又會(huì)在按鍵沒(méi)有釋放時(shí)誤認(rèn)為已經(jīng)釋放。經(jīng)過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn) 測(cè)定8 2 7 9 的掃描周期大概為2 m s 左右，所以在等待按鍵釋放程序中設(shè)定延遲時(shí)間為4 m s 完全可 以滿足要求。 ( 5 ) 電源電壓a d 轉(zhuǎn)換：對(duì)電源電壓的檢測(cè)采用8 位的a d 轉(zhuǎn)化芯片a d c 0 8 0 9 ，其讀寫地址 為# 7 f f f 。外加放大電路( 由通用運(yùn)放白搭建的測(cè)量放大器) 將電源電壓轉(zhuǎn)換為a d c 0 8 0 9 量程( 0 5 v ) 內(nèi)的電壓值。a d c 0 8 0 9 的輸入時(shí)鐘頻率由8 0 3 1 的a l e 信號(hào)經(jīng)d 觸發(fā)器4 分頻后得到。單片 機(jī)晶振頻率為1 2 m l z ，那么a l e 脈沖頻率為2 m h z ，而0 8 0 9 的輸入時(shí)鐘頻率為5 0 0 k h z 。 ( 6 ) 單片機(jī)電源模塊：在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了防止各種電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的損害， 提高系統(tǒng)工作可靠性，常采用隔離技術(shù)，將系統(tǒng)輸入單元、輸出單元以及與系統(tǒng)互聯(lián)的單元隔離 開(kāi)來(lái)。從技術(shù)角度來(lái)分析，通過(guò)電源引入干擾是造成系統(tǒng)受損或工作不可靠的主要因素，因此， 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要使容易相互干擾的各個(gè)部分具有獨(dú)立的隔離電源進(jìn)行供電，以切斷從電源串入 的各種干擾。機(jī)器人控制系統(tǒng)中兼有強(qiáng)電和弱電電路，在公用一個(gè)電源( 電瓶) 的情況下單片機(jī) 很容易受到電動(dòng)機(jī)等感性或容性強(qiáng)電電路的干擾，所以應(yīng)該將單片機(jī)所用電源與電動(dòng)機(jī)等具有強(qiáng) 電磁干擾的電路隔離開(kāi)來(lái)。另外，在本系統(tǒng)中電瓶電壓為2 4 v ，而單片機(jī)所需電壓為5 v ，我們 要求電源隔離電路還具有電壓轉(zhuǎn)換的功能。這通常采用具有直流隔離功能的d c i ) c 變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖3 - 4 雙路輸出d c d c 變換器 - 1 7 - v + c o m v 雙路輸出( 正負(fù)電壓輸出) 的d c d c 變換器外引線如圖3 - 4 所示。 不同的d c d c 變換器，其輸入電壓和輸出電壓各不相同，或驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力不同。選擇合 適的d c d c 變換器，也就是要選擇好以下三個(gè)指標(biāo)：輸入電壓；輸出電壓：輸出電流( 負(fù) 載能力) 。本系統(tǒng)中其輸出電壓已經(jīng)確定為5 v ；根據(jù)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，我們選擇d c d c 變換 器的輸出電流為2 a ，雙路平分后，每路輸出可得l a 的電流：輸入電壓也就是電瓶電壓，額定值 為2 4 v ，但在使用過(guò)程中電瓶電壓會(huì)有所變換，這就要求d c d c 變換器在輸入電壓在一定范圍內(nèi) 變化時(shí)輸出電壓穩(wěn)定，最后我們選擇d c d c 變換器的輸入電壓變化范圍為1 8 3 6 v 。 ( 7 ) i o 口線的電氣隔離：通過(guò)使用帶直流隔離的d c d c 電源模塊，單片機(jī)系統(tǒng)解除了受電 源干擾的影響，但強(qiáng)電部分的干擾還會(huì)從單片機(jī)的輸入輸出口線引入。而且在本系統(tǒng)中，經(jīng)d c d c 做轉(zhuǎn)換后，弱電部分和強(qiáng)電部分的電位是不一致的，若不采取隔離措施將會(huì)造成嚴(yán)重的地電位差 干擾。所以，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電磁閥的口線實(shí)行電氣隔離。 目前常用的電氣隔離器件大都采用光電隔離的方式。也就是光電偶合器。光電偶合器不僅使 信息發(fā)出端( 一次側(cè)) 和信息輸出端( 二次側(cè)) 是電絕緣的，從而對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制 能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾的能力。 光電偶合器的種類很多，轉(zhuǎn)換速度、電壓等級(jí)、電流大小都各不一樣。4 n 2 5 和t p l 5 2 1 是常 用的兩種光電偶合器，它們的性能參數(shù)如表3 2 所示： 表3 - 2 光電偶合器參數(shù) 極限參數(shù)工作特性 一次側(cè)二次側(cè)全體一次側(cè)二次側(cè)一次一 二次 型號(hào)i fv rv c ei o lb vv ft t h a x t p d m a x m a xm a xm a xm a xm a x m a x i fu s ( m a )( v )( v ) ( m a )( k v )( v m a ) t p l 5 2 l 7 0 5 0 53 05 02 5 1 3 1 0 62 5 4 n 2 58 033 04 01 1 5 5 0 40 8 表中i f 為一次側(cè)電流；v r 為一次側(cè)電壓；v c 為二次側(cè)電壓；i o l 為= 次側(cè)電流 b v 為一次側(cè)和二次側(cè)的絕緣等級(jí)；i t m a x 為二次側(cè)電流建立時(shí)間： t p d m a x 為一次側(cè)到二次側(cè)的延時(shí)。 從電壓和電流等級(jí)看，t p l 5 2 1 和4 n 2 5 都可以用t t l 電平驅(qū)動(dòng)，而且二次側(cè)電流足夠驅(qū)動(dòng)中 小功率的晶體管。t p l 5 2 1 的轉(zhuǎn)換速度不高，但其有4 路封裝的形式t p l 5 2 1 - 4 ，需多路隔離時(shí)使 用方便，相對(duì)4 n 2 5 來(lái)說(shuō)價(jià)格也低